CN104089690A - 收费站车辆动态称重估算方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种收费站车辆动态称重估算方法与装置，收费站道路左右两边分别设有激光发射器组和光电接收器组；待测车辆先遮挡住第一激光发射器发射的激光，再遮挡住由第二激光发射器发射的激光，MCU控制系统计算出待测车辆经过冲击力测量装置前的速度，左、右压力传感器组将左右车轮的冲击力的信号先输入MCU控制系统；将待测车辆的速度和冲击力作为BP人工神经网络模型的输入、质量作为输出，估算出车辆质量；本发明综合考虑运动车辆具有的动能和其在碰撞测力装置过程产生的冲击力两者之间的关系，运用道路减速带，允许车辆保持经过减速带的一定车速，并结合人工神经网络技术实现车辆质量的间接测量，提高收费站通行效率。

Description

收费站车辆动态称重估算方法与装置

技术领域

本发明涉及收费站车辆称重领域，对经过收费站的车辆估算质量，尤其是对动态经过收费站的车辆估算质量，可快速测出车辆质量，提高收费站的通行效率。 

背景技术

车辆超载不仅会损坏公路路面，增加公路养护成本，而且会造成交通事故，为了治理车辆超载现象，必须对公路上通行的车辆的质量进行测量。传统的车辆质量的测量方法是在车辆保持静止状态下进行，静态称重虽然测量精度高，但是测量的速度较慢，导致收费站通行效率低，容易造成交通堵塞。目前，一般利用公路收费站的动态称重系统测量通行车辆的质量，动态称重系统主要由秤台、称重传感器和称重仪表组成，采用车辆轴重称量，车辆轴重通过秤台传递给称重传感器，传感器受力时将轴重信号转化成电压信号传递给称重仪表，经过仪表处理显示出车辆的重量；但是，该称重系统要求车辆经过秤台时的车速很慢，仍然不能很好地实现快速测量，而且作用在秤台上的力除真实轴重外，还受到其他外界因素的干扰，从而影响到动态称重的精度。 

发明内容

为克服现有车辆动态称重技术存在的问题，本发明提供一种收费站车辆动态称重估算方法与装置，在测量车辆质量过程中允许车辆保持一定车速，实现快速测量车辆质量，提高动态称重的精度，提高收费站通行效率。 

 本发明收费站车辆动态称重估算装置采用的技术方案是：收费站道路左右两边分别设有激光发射器组和光电接收器组，激光发射器组由间距为L的第一、第二激光发射器组成，光电接收器组由间距为L的第一、第二光电接收器组成，在第二激光发射器 和第二光电接收器的前方路面上放置呈减速带形状的冲击力测量装置，测量冲击力装置内部后方的左右两侧分别倾斜放置左、右受力板，左、右受力板下方分别设有左、右压力传感器组，左、右压力传感器组连接MCU控制系统，MCU控制系统经通信模块连接上位机，MCU控制系统的输出连接第一、第二激光发射器，第一、第二光电接收器的输出连接MCU控制系统的输入。 

本发明收费站车辆动态称重估算方法采用的技术方案是：A、待测车辆先遮挡住第一激光发射器 发射的激光，使得第一光电接收器 输出信号，再遮挡住由第二激光发射器发射的激光，使得第二光电接收器 输出信号，MCU控制系统由此获得前后两次遮挡的时间间隔T，由此计算出待测车辆经过冲击力测量装置前的速度V=L/T，并将速度V通过通信模块传送给上位机。B、待测车辆以速度V经过冲击力测量装置，左、右两侧受力板分别受到左右车轮的冲击，经左、右压力传感器组将左右车轮的冲击力F的信号先输入MCU控制系统，再经通信模块传送给上位机。C、上位机先由实验样本数据训练BP人工神经网络，构建二元函数 ，得到训练好的BP人工神经网络模型，将待测车辆的速度V和冲击力F作为模型的输入、质量M作为模型的输出，估算出车辆质量M。 

本发明与已有技术相比，具有如下优点： 

1、本发明结合动能定理，综合考虑运动车辆具有的动能和其在碰撞测力装置过程产生的冲击力两者之间的关系，运用道路减速带，允许车辆保持经过减速带的一定车速，并结合人工神经网络技术实现车辆质量的间接测量。

2、本发明车辆动态称重估算装置利用两组激光发射器和光电接收器获取车辆的速度，利用倾斜安装的受力板以及压力传感器装置获取车辆正面撞击产生的冲击力，为计算车辆质量函数提供了依据。 

  3、本发明能够实现质量的快速测量，提高收费站通行效率，节省时间，实现车辆超载治理与收费站不停车称重收费的结合。 

附图说明

图1为本发明收费站车辆动态称重估算装置的布局图； 

图2为图1中冲击力测量装置的内部结构俯视图；

图3为图2的冲击力测量装置的内部结构右视图；

图4为本发明收费站车辆动态称重估算装置的电路结构框图；

图5为本发明收费站车辆动态称重估算方法的工作流程图；

图6是图5中上位机利用神经网络获得车辆的质量的处理方法流程图。

附图中各部件的序号和名称：1、待测车辆，2、第一激光发射器，3、第一光电接收器，4、第二激光发射器，5、第二光电接收器，6、冲击力测量装置，8、弹性敏感元件，9、第一电阻应变片，10、第二电阻应变片，11、后侧固定支架，12、第三电阻应变片，13、弹性敏感元件固定支架，14、第四电阻应变片，15、测量电路，16、前侧固定支架，17、左侧受力板，17a、左侧第一压力传感器，17b、左侧第二压力传感器，17c、左侧第三压力传感器，18、右侧受力板，18a、右侧第一压力传感器，18b、右侧第二压力传感器，18c、右侧第三压力传感器，19、MCU控制电路盒。 

具体实施方式

  参见图1，本发明收费站车辆动态称重估算装置包括车辆测速模块和测量冲击力模块。车辆测速模块由激光发射器组和光电接收器组构成，激光发射器组和光电接收器组分别安装于收费站道路的左右两边。激光发射器组由第一激光发射器2和第二激光发射器4组成，第一激光发射器2和第二激光发射器4沿道路长度方向间距为L，光电接收器组由第一光电接收器 3与第二光电接收器 5组成，第一光电接收器 3与第二光电接收器 5沿道路长度方向间距也为L。第一激光发射器 2正对着第一光电接收器 3，其发射的激光由第一光电接收器 3接收；第二激光发射器 4正对着第二光电接收器5，其发射的激光由第二光电接收器5接收。在第二激光发射器 4和第二光电接收器5的前方间隔一定距离的路面上放置冲击力测量装置6，冲击力测量装置6的外表面选择弹性较好的橡胶等材质并且加工成类似于道路减速带的形状。当待测车辆1驶入测速区域时，待测车辆1先遮挡住由第一激光发射器 2发射的激光，使得第一光电接收器 3无法接收到信号；当待测车辆1即将驶离测速区域时，待测车辆1后遮挡住由第二激光发射器4发射的激光，使得第二光电接收器 5无法接收到信号；当待测车辆1驶离测速区域后，要保持原有的车速通过前方的减速带形状的冲击力测量装置6。 

 参见图2，沿路面的宽度方向，在测量冲击力装置6内部后方的左右两侧分别放置一个受力板，为左受力板17和右受力板18，为了提高获得冲击力信号的准确性，将左受力板17和右受力板18从左至右各均匀地分成3块区域，从而保证每块区域都能够获取车辆通过冲击力测量装置6时的冲击力F。每块区域中间下方分别安装着一个压力传感器，从左至右分别是：左受力板17下方的左第一压力传感器17a、左第二压力传感器17b、左第三压力传感器17c以及右受力板18下方的右第一压力传感器18a、右第二压力传感器18b、右第三压力传感器18c。 

参见图3，冲击力测量装置6的截面呈向路上方凸出的梯形，具有坡度，冲击力测量装置6的内部的后方设置右受力板18、弹性敏感元件8以及4个电阻应变片，右受力板18倾斜放置，上表面面对后方，右受力板18的前后部位分别通过前侧固定支架16和后侧固定支架11固定悬在路面上，确保右受力板18在撞击过程中不会移动。特别说明的是：为减小车辆通过时的冲击力F在传递过程中的损失，则需要使右受力板18尽量与冲击测量装置6的内面贴合，右受力板18倾斜的角度θ是依据冲击测量装置6的坡度来设计，在为最佳。在右受力板18中间下表面紧贴一个弹性敏感元件8，该弹性敏感元件8是由恒弹性合金材料制成的实心矩形块，该弹性敏感元件8下部通过固定支架13固定地面。在该弹性敏感元件8上部两侧粘贴着第一电阻应变片9与第二电阻应变片10，同时在弹性敏感元件8的下部两侧且与上部位置对称地粘贴着第三电阻应变片12与第四电阻应变片14。4个电阻应变片连接测量电路15，共同构成全桥电路，由一个弹性敏感元件8、4个电阻应变片以及一个测量电路15共同组成一个压力传感器。在冲击力测量装置6的内部安装一个MCU控制电路盒19，可将MCU控制电路盒19放置在路面上，MCU控制电路盒19中设有MCU控制系统。 

   图3仅示出右受力板18的安装结构及要求以及其中一个压力传感器的结构，图2中左受力板17的安装结构及要求与图3中的右受力板18相同，图2中的其它压力传感器的结构与图3中的压力传感器的结构均相同。每个压力传感器都是由一个弹性敏感元件8、4个电阻应变片以及一个测量电路15组成，也就是左受力板17下方有三个压力传感器，这三个压力传感器组成左侧压力传感器组，右受力板18下方有三个压力传感器，这三个压力传感器组成右侧压力传感器组。左、右侧压力传感器组的输出线均接入MCU控制电路盒19，以便于MCU控制系统对每个压力传感器的输出信号进行处理。 

   参见图4，MCU控制电路盒19内部有由MCU控制系统、A/D转换电路、放大电路及通信模块等相关电路构成的集成电路板（图中未画出），以MCU控制系统为核心。左、右侧压力传感器组的输出线接入放大电路，再经A/D转换电路连接MCU控制系统的输入端，MCU控制系统经通信模块连接外部的上位机，MCU控制系统的输出连接激光发射器组中的第一激光发射器2和第二激光发射器4，光电接收器组中的第一光电接收器 3与第二光电接收器 5的输出连接MCU控制系统的输入。MCU控制电路盒19内部还有电源供电模块，对MCU控制系统、左、右侧压力传感器组供电。 

  参见图5，本发明车辆动态称重估算装置工作时，待测车辆1驶入测速区域，遮挡住由第一激光发射器 2发射的激光，使得第一光电接收器 3输出信号不连续，MCU控制系统识别第一光电接收器 3信号的不连续，并打开定时器。当待测车辆1即将驶离测速区域时，遮挡住由第二激光发射器4发射的激光，使得第二光电接收器 5输出的信号不连续，MCU控制系统识别到第二光电接收器 5信号的不连续，则关闭定时器，MCU控制系统如此获得待测车辆1行驶的时间为T，即获得前后两次遮挡的时间间隔T。因第一、第二激光发射器2、4沿道路长度方向的间距为L，所以MCU控制系统获得了待测车辆1经过冲击力测量装置6前的速度为V=L/T，并将该速度V通过通信模块传送给上位机。待测车辆1沿着既定的路线行驶以一定的速度V撞击冲击力测量装置6时，左右两侧受力板17、18分别受到左右车轮的冲击，使得安装在左右两侧受力板17、18下方的弹性敏感元件8产生形变，导致粘贴在弹性敏感元件8上的4个电阻应变片也产生形变，从而引起电阻应变片电阻值的变化，4个电阻应变片电阻的变化使得经测量电路15构成的全桥电路失去平衡，从而输出与冲击力F成一定关系的电压信号，电压信号经由放大电路放大以及A/D转换电路将电压信号转换为数字信号后输入MCU控制系统。MCU控制系统将采集的速度V、冲击力F通过通信模块传送给上位机，通过上位机软件利用人工神经网络算法处理采集到的数据V、F，便可测得车辆的质量M。 

  当待测车辆1撞击左右两侧受力板17、18时，MCU控制系统采集左右两组压力传感器信号，作相应的处理得到冲击力F。冲击力F为左、右压力传感器组所测量的平均值。如果左侧三个压力传感器17a、17b、17c测得的冲击力分别为，则待测车辆1撞击左侧受力17的冲击力取平均值，即，右侧三个压力传感18a、18b、18c测得的冲击力分别为，待测车辆1撞击右侧受力板18的冲击力取平均值，即 ，则待测车辆1撞击冲击力测量装置6时产生的冲击力为。此外，冲击力测量装置6的设计长度d应当大于待测车辆1车身的宽度（参见图2），并且为了能够尽可能兼顾不同车辆的车轮宽度或者载重卡车的双车轮的宽度，以及考虑到车辆并未按照既定路线行驶或车轮在撞击时产生偏向情况的可能性，左右两侧受力板17、18的宽度m应大于待测车辆1的2倍车轮的宽度，以确保压力传感器获得较为准确的冲击力信号。 

 在车辆动态称重过程中，由于待测车辆1在撞击冲击力测量装置6产生的冲击力F过程中受到多种因素的影响，如：冲击力测量装置6的坡度、受力板倾斜的角度θ、车速以及冲击力F传递过程中的损耗，车辆自身的振动等。本发明在估算车辆质量时，选定对测量精度影响比较大的参数，即速度V与冲击力F为估算的重要参数。 

参见图6，当MCU控制系统将采集的速度V、冲击力F通过通信模块传送给上位机后，上位机采用BP人工神经网络算法处理采集到的度V、冲击力F，具体处理方法是： 

 根据动能定理公式 及牛顿运动力学定律，其中，m是物体的质量，v是物体的速度，在一定速度下，质量越大的物体，惯性越大，物体所具有的动能也越大。从而，在碰撞过中，运动着的物体受到冲击力也越大。则运动的物体所具有的动能与在碰撞过程中产生的冲击力之间存在有一定的关系。由此可知运动着的待测车辆1的质量M，速度V与冲击力F三者之间存在相应的函数关系，即。

本发明采用BP人工神经网络技术拟合出运动车辆的质量M、速度V与冲击力F三者之间的函数关系。将待测车辆1的速度V和撞击冲击力测量装置6时车辆受到的冲击力作为BP人工神经网络模型的输入，待测车辆1的质量M作为神经网络模型的输出，可构建二元函数。要拟合出三者的函数关系，必须先获取足够的样本数据，本发明先通过不同质量的车辆以不同速度撞击冲击力测量装置6并获取相应的冲击力F的实验方法来获取足够的实验样本数据，然后，选取部分实验样本数据作为泛化样本数据，其他的数据作为训练样本数据，并设置误差目标值及学习因子用于网络训练，得到训练后的权值和阈值。根据得到的参数，判断泛化的结果是否达到系统的误差要求，若是达到系统误差要求，则保存好相应的网络模型，若是没有达到系统误差要求，则修改学习因子后再次训练网络，直到符合系统误差的要求为止。通过训练好的BP人工神经网络模型，将采集的待测车辆1的速度V和撞击冲击力测量装置6时车辆受到的冲击力F作为BP人工神经网络模型的输入，待测车辆1的质量M作为BP人工神经网络模型的输出，便能估算出比较精确的车辆质量M。 

Claims (9)

1.一种收费站车辆动态称重估算装置，其特征是：收费站道路左右两边分别设有激光发射器组和光电接收器组，激光发射器组由间距为L的第一、第二激光发射器（2、4）组成，光电接收器组由间距为L的第一、第二光电接收器 （3、5）组成，在第二激光发射器 （4）和第二光电接收器（5）的前方路面上放置呈减速带形状的冲击力测量装置（6），测量冲击力装置（6）内部后方的左右两侧分别倾斜放置左、右受力板（17、18），左、右受力板（17、18）下方分别设有左、右压力传感器组，左、右压力传感器组连接MCU控制系统，MCU控制系统经通信模块连接上位机，MCU控制系统的输出连接第一、第二激光发射器（2、4），第一、第二光电接收器（3、5）的输出连接MCU控制系统的输入。

2.根据权利要求1所述收费站车辆动态称重估算装置，其特征是：左、右受力板（17、18）从左至右各均匀地分成3块区域，每块区域中间下方分别设一个压力传感器，左、右压力传感器组分别由左、右受力板（17、18）下方的三个压力传感器组成，每个压力传感器均由一个弹性敏感元件（8、4）个电阻应变片及一个测量电路（15）组成，弹性敏感元件（8）紧贴受力板中间下表面，弹性敏感元件（8）上部两侧粘贴第一、第二电阻应变片、下部两侧对称地粘贴第三、第四电阻应变片，4个电阻应变片连接测量电路（15）共同构成全桥电路。

3.根据权利要求1所述收费站车辆动态称重估算装置，其特征是： 冲击力测量装置（6）的内部设有一个MCU控制电路盒（19），MCU控制电路盒（19）内部有MCU控制系统、A/D转换电路、放大电路及通信模块，压力传感器组的输出接放大电路，放大电路经A/D转换电路连接MCU控制系统的输入端。

4.根据权利要求1所述收费站车辆动态称重估算装置，其特征是：冲击力测量装置（6）具有                                                坡度。

5. 一种如权利要求1所述收费站车辆动态称重估算装置的动态称重估算方法，其特征是：

 A、 待测车辆先遮挡住第一激光发射器 （2）发射的激光，使得第一光电接收器 （3）输出信号，再遮挡住由第二激光发射器（4）发射的激光，使得第二光电接收器 （5）输出信号，MCU控制系统由此获得前后两次遮挡的时间间隔T，由此计算出待测车辆经过冲击力测量装置（6）前的速度V=L/T，并将速度V通过通信模块传送给上位机；

B、待测车辆以速度V经过冲击力测量装置（6），左、右两侧受力板（17、18）分别受到左右车轮的冲击，经左、右压力传感器组将左右车轮的冲击力F的信号先输入MCU控制系统，再经通信模块传送给上位机；

C、上位机先由实验样本数据训练BP人工神经网络，构建二元函数，得到训练好的BP人工神经网络模型，将待测车辆的速度V和冲击力F作为模型的输入、质量M作为模型的输出，估算出车辆质量M。

6.根据权利要求5所述的动态称重估算方法，其特征是：步骤2）中，冲击力F使得左、右压力传感器组的弹性敏感元件（8）产生形变，导致紧贴在弹性敏感元件（8）上的4个电阻应变片也产生形变，4个电阻应变片电阻的变化使得经测量电路（15）构成的全桥电路失去平衡，输出冲击力F的电压信号，电压信号经由放大电路放大及A/D转换电路后将数字信号输入MCU控制系统。

7.根据权利要求5所述的动态称重估算方法，其特征是：步骤3）中，通过不同质量的车辆以不同速度撞击冲击力测量装置（6）并获取相应的冲击力的实验方法获取实验样本数据，选取部分实验样本数据作为泛化样本数据，其他的样本数据作为训练样本数据，设置误差目标值及学习因子训练BP人工神经网络。

8.根据权利要求5所述的动态称重估算方法，其特征是：待测车辆通过冲击力测量装置（6）时的冲击力F为左、右压力传感器组所测量的平均值。

9.根据权利要求8所述的动态称重估算方法，其特征是：左、右受力板（17、18）从左至右各均匀地分成3块区域，每块区域中间下方分别设一个压力传感器，由左受力板（17）下方的三个压力传感器所测量的平均值和右受力板（18）下方的三个压力传感器所测量的平均值得到冲击力。